數位電路設計_蕭宇宏_數位邏輯介紹_數位電路簡介

各位同學好,我是國立雲林科技大學蕭宇紅老師 今天要來進行新的單元 在這個單元裡呢,要跟各位同學介紹的是數位邏輯 那麼我們會介紹到在數位世界裡頭要實現這些 世界裡頭的這些訊號以及處理 都需要使用到數位邏輯的概念 那我們就趕緊來看看今天的課程要告訴大傢什麼樣的知識 那麼我們先來看看在這個單元裡頭的學習目標以及大綱 那麼一開始呢,先為各位同學簡介一下什麼是數位電路 以及怎麼樣去實現這個數位電路裡頭的基本元件 那麼就會提到呢,在數位電路裡頭呢 最基本的極閘、貨閘以及反閘 以及呢,反極閘、反貨閘還有緩衝閘它的一些特性 再來呢,會介紹兩種特殊的閘 叫做互斥貨閘以及反互斥貨閘 最後會將這些邏輯閘的一些應用例子 來跟各位同學來做一個介紹以及講解 那我們就趕快來進行第一個小單元的部分 數位電路簡介 在數位世界裡頭,我們知道呢 它是由0跟1來呈現所有的部分 那麼怎麼樣去實現這樣子的一個數位世界呢 我們知道呢,數位世界在這個利用二進制的方式 來表示所有的訊號 在之前我們已經介紹過這些數值系統 以及怎麼樣去表示一些符號的部分 那麼接下來呢 我們就可以知道呢,在這些訊號的呈現方式呢 就是輸入跟輸出呢,只有0跟1的兩種數值 那透過這個方式就可以展現出所有的一個結果了 那麼數位世界呢,實際上到底要怎麼樣去 把這樣子的一個世界給呈現出來呢 那以現今的技術來說呢 是透過數位電路的方式來呈現 那數位電路裡頭其實最主要的一個實現的方法呢 是透過電子元件的方式來呈現它 那這個電子元件呢,其實就是 平常大家可能會聽過的電晶體這樣子的一個元件 那或許大家在一些報章雜誌上 也有聽過所謂的機體電路這樣子的一個名詞 基本上呢,就是用來實現現今數位電路的最基本的一個實現方法 那麼這樣子的一個電子元件呢 為什麼可以用來實現這個0跟1的兩種結果呢 主要呢,它是利用電晶體的這種方式 去設計出一個類似開關元件的概念 就是它可以把這個結果設定成開或是關 就好像我們前面講過的一個例子 我可以用手電筒亮跟暗的這樣子一個極端的呈現方式 來呈現0跟1的兩種值 那這樣子的一個開關元件呢 實際上呢,它是可以去模擬一種邏輯元件的想法 為什麼要叫做邏輯元件呢 在我們平常聊天或是講話的過程當中 都有一種邏輯思維 其實邏輯思維所呈現出的結果就是兩種 一種叫做真,一種叫做假 或是我們很常說的成立或是不成立的這樣子的概念 所以我們會把數位電路裡頭的這些電子元件 用邏輯元件的這個概念來描述它 那既然已經講到這個部分呢 同學就會想到,在之前我們一開始 這整門課程的一個想法就是 在整個數位世界的運作原理 其實就是一個透過邏輯思維的一種方式來呈現它 這也就是在一開始我們講到的 1加1會等於1,到底是為什麼這件事情 那麼在這個整個單元就可以看到它的一個原理了 那麼接下來可以看到的就是 我們剛才講到數位世界的實現 是透過邏輯電路的這個方式來呈現它 那麼在邏輯電路裡頭 0跟1到底又是如何去表現出來的呢 那實際上呢,它是透過一個極端的電壓值的方式 來代表0跟1的一個情況 那我們可以利用呢 0伏特到0.8伏特之間的電壓呢 把它定義成邏輯0的這個概念 好,所以可以用這樣子一個圖形來呈現它 那麼再來看到的就是 通常可以利用2伏特到5伏特之間的電壓 定義成邏輯1的一個部分 那麼在這兩個部分之間的電壓呢 就會稱為叫做間隔電壓或是近區電壓 那麼利用這個方式呢 就可以呈現出邏輯電路的0跟1的一個結果 那接下來呢,我們要來談到的就是 數位邏輯元件的概念了 那數位邏輯元件呢 基本上呢,在數位電路系統當中 都是由基本的邏輯元件 好,來組合而成的 那麼這個邏輯元件通常會用一個專有名詞 叫做邏輯閘 英文叫做logical gate來描述它 所以數位電路就是由邏輯閘來構成 那麼邏輯元件對於數位電路來說呢 就像是細胞呢對於生物一樣 它就是組成這個生物的最基本最小的一個單元 所以我們又稱為它叫做數位電路裡頭的基本邏輯閘 那基本邏輯閘呢 它會有幾個輸入的信號 那當然這些輸入信號就是0或是1 然後呢產生此閘的一個輸出信號的 也是由0跟1的方式來呈現 那麼將多個邏輯閘 就會成為一個數位電路了 基本上這就是數位電路的一個基本概念 那接下來呢 我們會看到數位電路設計的一個想法是什麼呢 基本上數位電路設計就是設計一個電路的一個系統 那這個系統就會完成某一個特定的這個動作 那麼基本上它的輸入信號是一連串的0或是1的位元串流的信號 那麼會按照所規劃的動作呢 就會進行運算 接著呢經過運算的結果呢 就會透過輸出 然後產生一連串也是0或是1的一個串流的一個結果 基本上這就是一個數位電路 那用一個示意圖讓同學來稍微瞭解 這是一個數位電路的本體 那我的輸入這個信號呢 很可能透過類似開關的一個概念 去呈現出邏輯1還是邏輯0的一個情況 透過開關按住或放開的一個動作 產生這樣子0或是1的位元串流的信號 那麼產生出來的結果呢 可能會透過這種燈LED燈的方式呢 把它呈現出邏輯1或是邏輯0 那就可以透過邏輯1或是邏輯0去控制輸出的一個情形 它也是一個位元串流的一個情況 那基本上這樣子就是一個數位電路 那再來講到這個數位世界呢 剛纔有提到說數位世界其實是透過一個邏輯思維的方式來呈現它的 所以接下來我們就要講到在數位世界裡頭的三根柱子 就是用三種邏輯思維的方式去搭建起整個數位世界的結果 那這三個柱子到底是哪三個呢 我們可以看到的是第一個是AND 也就是在我們平常講話說的而且的這個概念 再來看到就是OR就是或是 那再來第三個呢柱子呢就是NOT叫做相反 那接下來呢我會透過這三根柱子的例子 讓同學稍微瞭解一下這個邏輯思維到底是如何來呈現的 那我們首先看到邏輯思維的AND的部分 那舉一個例子來說 爸爸說你必須期中考平均90分以上 而且要幫忙做家事 我才允許你週末跟朋友出去玩 當爸爸說的這句話裡頭其實就含有邏輯思維AND的概念 在裡頭提到了兩件事情 就是期中考平均必須要90分以上 還有要幫忙做家事 所以呢在這個要達成可以週末跟朋友出去玩 就必須要這兩件事都要達到 也就是要為真的話 結果呢才會為真 那基本上這就是一個邏輯思維AND的想法 再來看到就邏輯思維OR的部分 媽媽說你可以幫忙洗碗或是幫忙擦地板 我就會給你50元的零用錢 在講這句話的裡面就涵蓋了OR的思維 所以我要能夠獲得這個50元零用錢 我就必須幫媽媽做什麼事情 可以選擇洗碗或是選擇擦地板 所以只要其中一件事情達成的話 我就可以拿到50元的零用錢 這就是一個邏輯思維OR的想法 最後看到邏輯思維NOT的概念就是 哥哥說我給你1000塊錢纔怪 這個纔怪就是一個NOT相反的一個表示方式 所以哥哥說了這一整句話 到底他有沒有給我1000塊錢呢 他是沒有的因為他是一個反向的一個講法 所以他叫做一個NOT的思維 所以在我剛才講到的這三個邏輯思維 其實就是搭建起整個數位世界的一個運算的一個方式 那我們在接下來的單元就會針對這些邏輯思維 把它變成一個邏輯閘的一個電路的一個基本單元 讓同學瞭解到底它是如何來運作的 各位同學在這個單元呢 我們讓同學瞭解整個數位世界的實現方式 實現方式就是透過數位電路 也就是透過電子元件的方式來呈現 並且利用邏輯思維的想法來表示它 那我們在接下來的單元呢 我們就要把這個邏輯思維變成一個實體上的一個運算單元 讓同學瞭解它是如何運作的